Файл: Воробей З.Ф. Физика диэлектриков. Диэлектрики в постоянном электрическом поле конспект лекций.pdf

-

28

-

Р А З Д Е Л Ш

УПРУГИЕ ВИДЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ

§ 6- Основные виды поляризации диэлектриков

Существует два различных молекулярных (Микроскопичес­

ких)

механизма

поляризации

диэлектриков - у п р у г а я • п о л я р и ­

зация

и

раіаксационная

п о л я р и з а ц и я .

Упругая поляризация заключается в том, что под

д е й с т ­

вием

электрического поля смещаются упругие связанные

з а р я -

лы, образующие

атом, молекулу или и о н . Различают три

м е х а ­

низма

упругой поляризации .

I .

Упругая электронная п о л я р и з а ц и я .

2

Упругая

ионная

п о л я р и з а ц и я .

3 .

Упругая

дипольная

п о л я р и з а ц и я .

Упругими они называются потому, что при смещении

з а ­

рядов возникает

упругая

сила,

стремящаяся вернуть з а р я д в

исходное положение. Упругие виды

поляризации происходят

быстро. Так время установления•электронной поляризации

р а в ­

но І 0 _ 5 с е к ,

ионной - 1 0 " ^ с е к , Д И П О Л Ь Н О Й - И Г ^

с е к .

Релаксационная поляризация заключается в появлении

упорядоченности в хаотическом тепловом двинении слабо

с в я ­

занных ч а с т и ц ,

которые

перемещаются на

небольшие

расстояния

в пределах

д и э л е к т р и к а .

Различают

три

механизма

р е л а к с а ц и ­

онной поляризации.

1 . Электронно-релаксационная

п о л я р и з а ц и я .

2 . Ионно-релаксационная

поляризация .

3 . Дипольно-релаксационная поляризация .

Необходимо

уточнить в о п р о с ,

о каких электронах и

ионах

з д е с ь идет р е ч ь .

Не следует

смешивать заряхенные

частицы,

за счет которых

п о я в л я е т с я

электропроводность и

слабо с в я ­

ионы и

электроны, которые создают алектроцроводность, н а з ы ­

ваются

свободными,

так к а к

они перемещаются на

з н а ч и т е л ь ­

ные

р а с с т о я н и я , достигают.

ѳде,к?ррдов.. и нейтрализуются

на

них . Те электроны и

ионы,

которые мы называем

слабо

с в я з а н

ными,

могут

перемещаться на, незначительные р а с с т о я н и я ,

с о ­

измеримые с

молекулярными,

размерами . Они переиздаются

толь

ко

в пределах

д и э л е к т р и к а .

Релаксационная

поляризация происходит, и е д д е д а о ,

поэто­

му

ее

называют

т а к

же замедленной поляриза.цмвй.

В

этом

р а з д е л е

мы рассмотрим-механизмы упругой

поляри­

зации,

а в

последующих' - механизмы релаксационной, поляриза­

ции .

При упругой поляризации в объеме

диэлектрика о б р а з у ­

ются

наведенные или индуцированные диполи .

Электрический

момент этих элементарных

диполей Р

я в л я е т с я

молекуляр ­

ной

характеристикой поляризации .

Наведенный электрический момент пропорционален внутрен

ней

напряженности поля в

диэлектрике

Еан

»

Т 0 І ' ° н о ­

л я ,

в котором находится

долярнзудадаяся ч а с т и ц а .

Коэффици­

ентом пропорциональности

я в л я е т с я поляризуемость

О. .

И поляризуемость

ОС

и

внутренняя

напряженность

поля

Ебн

тоже

являются молекулярными характеристиками

д и э л е к т р и ч е с ­

кой

поляризации .

Поляризуемость

С*

равна

наведенному

электрическому

г,

моменту

при единичной напряженности

п о л я . Физический смысл

этой величины в том, что она показывает меру податливости

частицы

к поляризации .

Задача Физики

диэлектриков при

исследовании

п о л я р и з а ­

ции

заключается

в

том,

чтобы,построив

определенную

модель

п о л я р и з а ц и и , р а с с ч и т а т ь

поляризуемость

G

, напряженность

внутреннего поля и другие молекулярные

х а р а к т е р и с т и к и .

Рассмотрим, отдельные

виды упругой

поляризации .

§ Ю .

Упругая

электронная

поляризация

Упругая электронная

поляризация

заключается

в

том, что

под действием электрического поля орбиты валентных

э л е к т р о ­

нов в атомах, молекулах и ионах смещаются

относительно

ядра

или

д е ф о р м и р у й с я .

Электронная

поляризация

происходит

во всех

без исключения

д и э л е к т р и к а х .

В

неполя^Аых

д и э л е к т р и ­

к а х

она

я в л я е т с я

единственным

видом

поляризации .

На

р и с . Sf

изображена модель электронной поляризации на

примере атома водорода . Слева показано

смещение

орбиты

э л е к т ­

рона, справа - ее деформация. При

отсутствии

внешнего

э л е к ­

трического поля

атом

водорода

не

имеет

электрического

момен­

т а .

В р е з у л ь т а т е

поляризации

"центр

тяжести

отрицательного

заряда"

смещается

относительно ядра

на

р а с с т о я н и е

К .

По ­

я в л я е т с я

наведенный

лектрический

момент

JJg

= QX .

Рис.

9

Смещение

X

очень

мало по

сравнению о радиусом орби-

ты, так как напряженность

внешнего

электрического

поля» н е ­

соизмеримо меньше

силы кулцновского

нритяжеиия между ядром

и электроном .

Чтобы в

этом убедиться рассчитаем

напряженность

пода,

создаваемого

протоном на р а с с т о я н и и ,

равном радиусу

орбиты

электрона

9

1.5/0

M

36Я

Напряженность

поля, создаваемого

ядром,примерно в

10*^ р а з

больше-,, чем напряженность

внешнего

п о л я . Окещеше

орбиты

с о с т а в л я е т 10 А м,

т . е . в

10

р а з

меньше, чем -ее р а д и у с .

Рассчитаем поляризуемость для атома в о д о р о д а . При сме ­

щении орбиты

электрона возникает

сила

со стороны я д р а , к о -

- 32

-

горая

стремится

вернуть орбиту

на прежнее м е с т о .

Эта в о з в р а ­

щающая

сила

ИХ

, как следует

из р и с .

8 , равна проекции си ­

лы кулоновского

взаимодействия

ядра и

электрона

на с м е с т и в ­

шейся

орбите

на

направления смещения,

т . е .

і\х

:.Ainß

_Так как смещение -К • «

Z

, то можно з а п и с а т ь , что к о ­

эффициент возвращающей

силы

к -

—

г г

4-я £0

При равновесии

возвращающая

сила

равна силе

внешнего

э л е к т ­

рического поля, которое . смещает орбиту

нх=дЕ-

g

Отсюда смещение

X -

Е

, а

наведенный

момент

/Je =

дг

возвращающей

силы, получим

= 47* <Го ?

и,

с л е д о в а -

татено у OLe =

éo 1

3

Этот р е з у л ь т а т

показывает, что^электронная

п о л я р и з у е ­

мость завиеит

от объема атома

водорода

и

по величине равна

& е

~r-r(Q,.5SfQ-f0il

=

i,S6-10'',i

д>.мг

•іол